25.04.2019

Steuerelektronik für präzise Kommutierung von bürstenlosen Motoren

Sensorlose Ansteuerung

In vielen industriellen Anwendungen wäre es von Vorteil, wenn man einen bürstenlosen Motor ohne Sensoren betreiben könnte. Sensorlose Ansteuerungsverfahren bieten hier verschiedene Möglichkeiten. Sie verwenden unter anderem Strom- und Spannungsinformationen direkt aus dem Motor zur Bestimmung der Rotorlage.


Schematische Darstellung der sensorlosen Kommutierung der EMK-Methode mit Nulldurchgang, hier am Beispiel der Phase 3 gezeigt.
Bild: Maxon Motor AG

Um einen bürstenlosen Motor anzutreiben, braucht es eine Steuerelektronik für die präzise Kommutierung. Das funktioniert aber nur, wenn die Steuerelektronik stets weiß, in welcher Position sich der Rotor befindet. Klassischerweise liefern im Motor verbaute Sensoren - z.B. Hallsensoren - diese Informationen. Doch es geht auch anders. Sensorlose Ansteuerungsverfahren verwenden direkt Strom- und Spannungsinformationen aus dem Motor zur Bestimmung der Rotorlage. Aus der Veränderung der Rotorposition kann die Geschwindigkeit hergeleitet werden, die zur zusätzlichen Drehzahlregelung verwendet werden kann. Höherentwickelte sensorlose Ansteuerungen können sogar den Strom (Drehmoment) und die Position regeln. Durch das Weglassen von Sensoren ergibt sich eine Kosten- und Platzersparnis. Denn Kabel, Stecker, aber auch empfindliche elektronische Schaltkreise werden überflüssig. Die sensorlosen Regler von Maxon benutzen drei Grundprinzipien, die speziell auf die BLDC-Motoren abgestimmt sind.

Prinzip 1: EMK-Methode mit Nulldurchgang

Die EMK-Methode mit Bestimmung des Nulldurchgangs verwendet die induzierte Spannung (oder EMK) in der nichtbestromten Phase bei Blockkommutierung. Der Nulldurchgang findet in der Mitte des Kommutierungsintervalls statt. Aus den vorhergehenden Kommutierungsschritten kann die Zeitverzögerung zum nächsten Kommutierungspunkt abgeschätzt werden. Die EMK-Methode mit Nulldurchgang funktioniert nur bei genügend hoher Drehzahl - im Stillstand verschwindet die EMK. Der Anlauf des Motors benötigt einen speziellen Anlaufprozess ähnlich einer Schrittmotorsteuerung und muss separat eingestellt werden. Die eigentliche sensorlose Kommutierung ist erst ab Motordrehzahlen von 500 bis 1000 Umdrehungen/min möglich. Zur Drehzahlregelung wird die Frequenz der Kommutierungsschritte verwendet. Die Dynamik ist aufgrund der beschränkten Feedbackinformation limitiert, kann aber durch Integration von Schätzmethoden im Regelalgorithmus (Beobachter oder Kalman-Filter) verbessert werden. Die EMK-Methode mit Nulldurchgang hat aber auch Vorteile. Grundsätzlich funktioniert sie mit allen bürstenlosen Motorbauarten. Sie ist robust, kosteneffektiv und wird in vielen Standardprodukten verwendet.

Prinzip 2: Beobachter-basierte EMK-Methode

Beobachter- oder Modell-basierte EMK-Methoden benutzen Informationen aus dem Motorstrom, um die Rotorlage und die Drehzahl herzuleiten. Der Modell-basierte Ansatz ergibt eine höhere Auflösung der Rotorposition. Damit ist die Sinuskommutierung (oder FOC, feldorientierte Regelung) möglich mit all ihren Vorteilen: höherer Wirkungsgrad, kleinere Erwärmung, weniger Vibrationen und Geräusche. Allerdings benötigt auch die Beobachter-basierte EMK-Methode eine Mindestdrehzahl von einigen hundert Umdrehungen/min, um gut zu funktionieren.

Prinzip 3: Magnetische Anisotropie-Methoden

Die auf der magnetischen Anisotropie basierenden Methoden leiten die Rotorlage aus der Motorinduktivität her, die gering ist, wenn die magnetischen Flüsse von Stator und Rotor im Rückschluss parallel sind. Dazu werden kurze Strompulse verwendet, die aber keine Motorbewegung verursachen. Verglichen mit den EMK-basierten Verfahren funktioniert diese Methode auch im Stillstand oder bei sehr tiefen Drehzahlen und erlaubt die Sinuskommutierung. Die gemessenen Signale sind stark vom Motortyp abhängig. Der Bestimmung der Rotorlage liegt ein Motormodell zugrunde, das für jeden Motor parametriert und angepasst werden muss. Controller auf Basis von magnetischer Anisotropie sind deshalb hochspezifische Produkte - Plug&Play funktioniert hier nicht. Der Rechenaufwand zur Evaluation der Rotorposition beschränkt die maximal möglichen Drehzahlen.

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Warum sensorlose Ansteuerung?

In preissensitiven Anwendungen kann die Verwendung von sensorlosen Motoren die Kosten senken. Hallsensoren, Encoder, Kabel und Stecker fallen weg. Typische Anwendungen in diesem Bereich sind Lüfter, Pumpen, Scanner, Fräser, Bohrer und andere hochdrehende Anwendungen mit eher tiefer Regelperformance, bei denen ein kontrollierter Anlauf nicht kritisch ist. Bei hoher Stückzahl ist eine kundenspezifische Anpassung des EMK-basierten Reglers sinnvoll.

Ruckfreie Motoransteuerung ab Drehzahl null

Kostenersparnis ist nicht der einzige Grund, sich für eine sensorlose Ansteuerung zu entscheiden. Anwendungen wie Tür- oder Bike-Antriebe benötigen eine hohe Regelqualität. Eine ruckfreie Motoransteuerung ab Drehzahl null ist wichtig, aber auch eine hohe Dynamik und Sinuskommutierung zur Geräuschvermeidung. Dies alles soll ohne die Verwendung eines teuren Encoders realisiert werden. In den letzten Jahren haben sich dazu hochwertige sensorlose Ansteuerungen basierend auf der Anisotropie-Methode etabliert. Der Engineering-Aufwand zur Anpassung der Modellparameter rechtfertigt sich allerdings erst ab Stückzahlen von einigen hundert.

Raue Umgebungsbedingungen

Eine sensorlose Ansteuerung kann auch in Situationen nötig sein, in denen empfindliche Sensorelektronik beim Motor vermieden werden muss, z.B. in Anwendungen bei sehr hohen oder tiefen Umgebungstemperaturen, Reinigungs- und Sterilisationsmethoden im medizinischen Umfeld, aber auch an ionisierende Strahlung im Weltraum, in Kernanlagen oder in der Medizin. Die reduzierte Anzahl der Motoranschlüsse erleichtert zudem die Integration bei engen Platzverhältnissen. Die benötigte Regelgüte ist je nach Anwendung verschieden. Welche sensorlose Methode besser passt, muss von Fall zu Fall entschieden werden - z.B. eine hohe Drehzahl in Dental-Handgeräten zum Bohren und Schleifen oder eher tiefe Drehzahlen und geregelte Drehmomente zum Fixieren von Schrauben in der Chirurgie.

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